韋瑋
(貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司構(gòu)皮灘發(fā)電廠,貴州 余慶 564408)
構(gòu)皮灘水電站是烏江干流上最大的電站,裝機5×600MW。機組調(diào)速器采用武漢能達(dá)公司提供的PCC 控制器控制的雙比例閥加步進(jìn)電機三冗余系統(tǒng),PID 具有四個可調(diào)運行、設(shè)計調(diào)整參數(shù)組,包括:即:暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)Bt、永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)Bp、加速度時間常數(shù)Tn、緩沖時間常數(shù)Td,其中,按照國家有關(guān)規(guī)定和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),Bt、Td、Tn 參數(shù)最終在構(gòu)皮灘水電站現(xiàn)場試驗中被確定。構(gòu)皮灘水電站在安裝PCC 微機調(diào)速器過程中先后進(jìn)行了兩次試驗。這兩種試驗主要測定調(diào)速器在正常運轉(zhuǎn)和滿負(fù)荷狀態(tài)中的性能,分為充水前試驗和充水后試驗。主要檢測緊急停機切換試驗、開/停機時間測試試驗、靜特性試驗下轉(zhuǎn)速及接力器擺動規(guī)定值,試驗調(diào)試依據(jù)如表1 所示。
表1 轉(zhuǎn)速死區(qū)及接力器擺動規(guī)定值
構(gòu)皮灘水電站發(fā)電機組于2009 年運行至今已進(jìn)行了多次大檢,大修后原調(diào)速器開停機時間、PID 運行參數(shù)等將通過試驗重新獲取,確保水輪發(fā)電機能達(dá)到正常工作效率。按照國家2007 制定的《水輪機控制系統(tǒng)技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 9652.1—2007)的規(guī)定,微機調(diào)速器空載擾動試驗測定是機械的空載時間、選擇最優(yōu)的運行參數(shù)以及提高設(shè)備的調(diào)節(jié)靈敏程度。按照國家規(guī)范:調(diào)速器在轉(zhuǎn)速過程中必須在穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行,額定的轉(zhuǎn)速值超過3%的次數(shù)不能在兩次以上;機組轉(zhuǎn)速擺動所經(jīng)歷的時間不能大于40s;機械設(shè)備穩(wěn)定后轉(zhuǎn)速擺動也必須達(dá)到穩(wěn)定水平,3min 內(nèi)電液調(diào)速器的頻率擺動值不能達(dá)到±0.15%以上。因此,對于PCC 控制器空載運行調(diào)試來說,確定空載運行參數(shù)也是重要工作之一。
調(diào)速器接收到發(fā)電機機端頻率信號,經(jīng)隔離、整形、濾波后送入PLC,待PLC 接收到發(fā)電機端頻信號后,調(diào)試機組頻率與發(fā)電機相適應(yīng)后,再通過PID 模塊軟件進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。最終經(jīng)過PID 模塊軟件調(diào)整后的信號通過電機處理器被輸出給22KG.CM 額定轉(zhuǎn)矩的角位儀,角位儀由通過直線位移的特殊轉(zhuǎn)換器將信號信息轉(zhuǎn)換為機械的直線位移,從而使設(shè)備液壓增大,進(jìn)而產(chǎn)生足夠的壓力調(diào)整設(shè)備,通過液壓調(diào)整控制主機上的接力器以調(diào)整水輪機的導(dǎo)葉開度。
PID 調(diào)節(jié)原理用傳遞函數(shù)及推圖如下:
式中:KP—比例增益;KI—積分增益;KD—微分增益。
為提高裝置的抗干擾能力,采用實際微分環(huán)節(jié),微分環(huán)節(jié)時間常數(shù)T1V(S)。將上述傳函離散比,設(shè)PID 輸出表達(dá)式為:
YPID(k)=YPI(k-1)+ΔYP(k)+YI(k)+ΔYD(k)
式中:YPI(k-1):為前一個采樣周期的比例、積分分量之和;ΔYP(k):是比例作用分量增量;YI(k):是積分作用分量增量。
故 可 有:YPID(k)= YPID(k-1)+kP[X(k)-X(k-1)]+K1×ζ×X(k)+T1V/(T1V+ζ)Yd(k-1)+1/(T+ζ)Kd[X(k)-X(k-1)]
上式中,ζ 為采樣周期。X 為相對轉(zhuǎn)速偏差,即頻率給定或電網(wǎng)頻率與機組頻率之差和頻率的比值。調(diào)速器PID 調(diào)節(jié)規(guī)律:PID 輸出是其輸入量的比例、積分和微分的函數(shù),通過加大kp 值,提高系統(tǒng)的靈敏度就可以減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的誤差;此外,也可以通過積分?jǐn)?shù)值來減少PID 調(diào)速器的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差,若超調(diào)量過大,這種調(diào)節(jié)作用將明顯減弱。所以,為了改善調(diào)速器PID 的動態(tài)性能,還必須通過引入微分進(jìn)行校正,這也就是所謂的PID 控制。PID 微分控制可以很好地預(yù)測偏差,針對偏差產(chǎn)生后可以進(jìn)行提前校正的作用,也能夠很好地通過改善機械動態(tài)性能,使設(shè)備調(diào)節(jié)時間縮短,從而避免超調(diào)量。
將機組自動開至空載運行,調(diào)速器在“頻率模式”下,用TG2000 水輪機測試調(diào)速器和機組儀器軟件,試驗過程中分別取了幾組不同的Bt、Td、Tn 數(shù)值,通過修改調(diào)速器的頻率和設(shè)定的Fg 值。試驗觀察水輪機組結(jié)果表明,超調(diào)量、頻率調(diào)節(jié)次數(shù)、調(diào)節(jié)時間等數(shù)據(jù)顯示均能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。在錄制轉(zhuǎn)速,設(shè)定接力器行程過渡曲線中,試驗結(jié)束后,我們將挑選機械設(shè)備波動次數(shù)少、轉(zhuǎn)速擺動值和超調(diào)量較小、系統(tǒng)穩(wěn)定速度最快的一組調(diào)節(jié)參數(shù)作為正常運行參考。
(1)取Bp=6.0%、Bt=20.0%、Td=14.0(S)、Tn=1.0(S)、Fg=50.00Hz。試驗結(jié)果:當(dāng)Tn 越高,系統(tǒng)的擾動后穩(wěn)定性較好,但很難確定系統(tǒng)從擾動到穩(wěn)定區(qū)間的時間,而且設(shè)備的接力器也非常不穩(wěn)定,分析原因,我們認(rèn)為主要是Bt、Td 數(shù)值過小導(dǎo)致,實際運行過程中可適當(dāng)增大Bt、Td取值范圍。
(2)取Bp=6.0%、Bt=50.0%、Td=15.0(S)、Tn=0.3(S)、Fg=50.00Hz。試驗結(jié)果:適當(dāng)增大Bt、Td、Tn 取值后,從試驗曲線看,整個調(diào)節(jié)過程變得平滑穩(wěn)定,超調(diào)量小于1.2Hz[超調(diào)量=(fmax-fr)/fr×100%]規(guī)范規(guī)定,該組數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量較好。
(3)取Bp=6.0%、Bt=35.0%、Td=10.0(S)、Tn=0.1(S)、Fg=50.00Hz。試驗結(jié)果:擾動后長時間不穩(wěn)定,進(jìn)入穩(wěn)定時間過長,該組參數(shù)特點:Td、Tn 均小于以上兩組之間。通過選擇不同參數(shù)進(jìn)行試驗,經(jīng)比較,Td=15.0(S)、Bt=50.0%、Tn=0.3(S)是最優(yōu)的一組,調(diào)節(jié)次數(shù)、系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間均可以達(dá)到國標(biāo)要求,因此可作為調(diào)器速的最優(yōu)運行參數(shù)。
對于PCC 控制器的3 個重要參數(shù)Kp(比例系數(shù))、Ki(積分系數(shù))、Kd(微分系數(shù))來說,如果獲取一組最優(yōu)PID 參數(shù)最優(yōu)的結(jié)果是Kp=1/Bt。但如果產(chǎn)生誤差,PCC 控制器將使得誤差逐漸減少。這種控制作用的效果決定于Kp,如果通過加大對Kp 的控制那么可以減少誤差。Kd=Tn/Bt=Tn·Kp,它能對誤差進(jìn)行微分,使超調(diào)量減少,增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Ki=1/(Bt·Td),具有滯后特性,其控制作用太強會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。它能對誤差進(jìn)行記憶并積分,有利于消除靜差;所以在一系列的參數(shù)設(shè)計中,在總體要求合適的前提下,應(yīng)當(dāng)選擇較小的Ki 和Kd 值,這也可以通過削減空載工況階躍擾動響應(yīng)特性的超調(diào)量,從而縮短系統(tǒng)動態(tài)過程需要達(dá)到的穩(wěn)定調(diào)節(jié)時間。
為了更快、更好地選擇最優(yōu)運行參數(shù),總結(jié)口決:參數(shù)整定找最佳,從小到大順序查,先是比例后積分,最后再把微分加,曲線振蕩很頻繁,比例度盤要放大,曲線漂浮繞大灣,比例度盤往小扳,曲線偏離回復(fù)慢,積分時間往下降,曲線波動周期長,積分時間再加長,曲線振蕩頻率快,先把微分降下來,動差大來波動慢,微分時間應(yīng)加長,理想曲線兩個波,前高后低4 比1,一看二調(diào)多分析,調(diào)節(jié)質(zhì)量會更佳。
綜上所述,只有Td、Bt、Tn 以及其系統(tǒng)互相關(guān)聯(lián)的Ki、Kp、Kd 值達(dá)到最優(yōu)組合時,整個系統(tǒng)才能在最佳狀態(tài)下運轉(zhuǎn),這也是系統(tǒng)搭配的過程PCC 微機調(diào)速器最優(yōu)運行參數(shù)的選擇。只有通過合理地選擇Td、Bt、Tn、Ki、Kp、Kd 運行值,才可以更好的地通過優(yōu)化調(diào)速系統(tǒng)性能,進(jìn)而縮短系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間,減小系統(tǒng)超調(diào)量,從而達(dá)到有效控制水電站機組的轉(zhuǎn)速和動力的目標(biāo)。